The Innovation Materials | 探索高压超导氢化物在弱磁场探测中的应用

尽管氢化物超导体具有较高的临界温度,但如何利用其约瑟夫森效应设计更为敏感的电子传感器极具挑战。本文试图通过镧铈氢化物超导体产生的约瑟夫森效应设计可探测极弱磁场的超导量子干涉仪设备并试图逼近室温应用。


导读

LaH10是目前已知的超导转变温度最高的物质,它的发现推动了室温超导目标的实现进程。然而在此类氢化物中实现超导需要100 GPa以上的压力,这极大阻碍了超导氢化物的应用前景。本文基于镧铈氢化物的约瑟夫森效应成功设计了一种直流超导量子干涉仪(DC-SQUID),实现了低至0.1 G磁场的精准探测,为近室温下的超导量子比特等研究奠定了基础。


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图1 图文摘要

超导量子干涉仪(SQUID)是一种基于约瑟夫森效应和磁通量子化的高灵敏度磁场探测设备,可实现低至5×10−14 T的极弱磁场探测。目前常见的SQUID多在液氦温区工作(如MPMS磁学测量系统),且通常体积很大。高温SQUID传感器虽然灵敏度不如低温SQUID,但在生物磁测量、地磁测量等方面具有潜在的应用前景,例如可以探测各种器官(如大脑和心脏)的弱磁场及电活动空间分布等,此外也可用于创建超导量子比特和量子计算机、扫描SQUID显微镜以及低温粒子探测器等。高温超导体为SQUID传感器的实现带来了极大的便利。超导领域的“氢化物革命”为实现近室温超导量子器件提供了可能性,但超导只存在于高压条件及数十微米尺寸的样品中,致使人们认为氢化物不会有实际应用价值。本文发现La-Ce超导氢化物样品在高压下表现出明显的直流SQUID效应,可作为弱磁场传感器。


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图2 高压(La, Ce)H10+x样品的超导性质和测量方案

本工作选取了合成压力相对温和的LaCe合金和氨硼烷作为反应原料,成功在高压下合成(La,Ce)H10+x材料,并利用同步辐射X射线衍射研究了材料的结构。利用范德堡法确认了LaCe氢化物的超导转变温度为202 K(图2)。


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图3 179 ± 0.5 K温度下高压(La, Ce)H10+x样品中的直流SQUID效应以及高次谐波

由于氢化物是在激光加热的条件下合成的,因此其合成过程中很容易形成许多约瑟夫森结随意排列分布(S-N-S,S为超导体,N为处于正常态的金属),在接近超导临界温度下以及临界电流IC的偏置电流下,S-N-S 结阵列将随机形成以标准四电极连接的类SQUID 环路和电路,与如图3A和图5A-C类似。因此常见的范德堡法即可实现氢化物的SQUID研究。LaCe氢化物SQUID的研究是在接近179 K的温度下进行的。在施加1-2.5 mA的偏置电流时可以观察到样品对外部调制磁场的明显响应,同时观察到了明显的非整数和整数高阶次谐波。而在射频偏置电流条件下可以观察到与SQUID相关的明显二次谐波产生。基于(La, Ce)H10+x的SQUID电阻信号对施加的外磁场表现经典的周期依赖性,并最终实现了低至0.1 G量级的弱磁场探测。


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图4 调制低频磁场下高压(La, Ce)H10+x样品的交流输运研究


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图5 激光加热氨硼烷和(La, Ce)合金合成氢化物后氢化物SQUID的高压X射线衍射研究


总结与展望

在179 ± 0.5 K和148 GPa压力下,镧铈多氢化物 (La, Ce)H10+x表现出了直流SQUID 效应,这是由微观样品中超导间隙的随机非均匀空间分布引起的。然而目前高压合成的氢化物SQUID的几何形状不可控,导致其灵敏度不够高。利用微纳加工技术优化超导样品的几何形状及在样品腔中的分布,可以显著提高氢化物SQUID的灵敏度,从而使得制备更可控、更复杂的基于超导氢化物的SQUID器件成为可能。


责任编辑


董方亮   Massachusetts Institute of Technology

李国伟   中国科学院宁波材料技术与工程研究所



本文内容来自The Innovation 姊妹刊The Innovation Materials 第3卷第1期发表的Report文章“Observation of the Josephson effect in superhydrides: DC SQUID based on (La,Ce)H10+x with operating temperature of 179 K” (投稿: 2024-10-17;接收: 2024-12-29;在线刊出: 2025-01-06)。


DOI:10.59717/j.xinn-mater.2024.100115 


引用格式:Semenok D., Troyan I., Zhou D., et al. (2025). Observation of the Josephson effect in superhydrides: DC SQUID based on (La,Ce)H10+x with operating temperature of 179 K. The Innovation Materials 3: 100115.


作者简介

Dmitrii Semenok  博士,就职于北京高压科学研究中心。他毕业于俄罗斯斯科尔科沃科技学院,并获得莫斯科物理科技学院和Skoltech物理学和化学双硕士学位,是国家自然科学基金外籍学者和北京自然科学基金获得者。他多年来致力于氢化物材料的理论和实验的结合研究,并主导或参与发现了20余种新型富氢化合物,发现了许多优异的高温超导氢化物,如ThH10,YH6-9,三元(La,Y)H10,(La,Nd)H10,(La,Ce)H10等。近年来,他致力于高压下超导氢化物电子器件的研究。 

周   迪  博士,2022年加入北京高压研究中心。主要从事氢化物的实验合成和超导性质研究。近年来致力于利用射频探测手段探究氢化物的超导转变,相关工作以一作/通讯作者在Advanced Energy Materials, Advanced Materials, JACS, Science Advances等杂志上发表多篇文章。


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期刊简介


The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊:向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现,鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球59个国家;已被151个国家作者引用;每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员,来自22个国家;50%编委来自海外(含39位各国院士);领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ,ADS,Scopus,PubMed,ESCI,INSPEC,EI,中科院分区表(1区)等收录。2023年影响因子为33.2,2023年CiteScore为38.3。秉承“好文章,多宣传”理念,The Innovation在海内外各平台推广作者文章。


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